文 | 航天恒星科技有限公司 王悅 王權(quán) 張德鵬 李雯婷 于航

一、引言

地面通信系統(tǒng)可為用戶提供方便快捷的通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，然而在山區(qū)、荒漠、航海、航空等區(qū)域，由于地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難，衛(wèi)星通信成為主要的通信手段。衛(wèi)星通信在發(fā)展過(guò)程中，其技術(shù)體制大量借鑒地面通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)計(jì)模式下有利于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的兼容和融合發(fā)展[1]。目前我國(guó)5G正處于技術(shù)研發(fā)與試驗(yàn)的初級(jí)階段，低軌衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)與研制也正同步進(jìn)行，如何借鑒并吸收5G網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)技術(shù)，尋求低軌星座與5G網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展，已成為業(yè)界發(fā)展研究的熱點(diǎn)課題。

二、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

1.低軌星座與地面網(wǎng)絡(luò)融合現(xiàn)狀

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，其代表系統(tǒng)有“一網(wǎng)”（OneWeb）系統(tǒng)和“星鏈”（Starlink）互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)。

一網(wǎng)公司（OneWeb）致力于采用低軌衛(wèi)星星座群，實(shí)現(xiàn)為全球終端用戶提供高速率、低延時(shí)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。OneWeb公司初期預(yù)計(jì)發(fā)射720顆低軌衛(wèi)星完成一期建設(shè)，星座分布于1200km高度的18個(gè)軌道面上，星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，借助于地面關(guān)口站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。該星座群的單星質(zhì)量不超過(guò)150kg，單星容量可達(dá)5Gbit/s，可為0.36m口徑的通信終端提供高達(dá)50Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)[2]。OneWeb公司采取產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方式，使衛(wèi)星制造自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，并通過(guò)新型技術(shù)和高效管理并施等手段，降低成本，以提供高性價(jià)比的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。目前，OneWeb公司已獲取美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）授權(quán)，能夠在美國(guó)境內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。通過(guò)綜合評(píng)估，OneWeb公司將增加1972顆低軌衛(wèi)星，以填補(bǔ)供不應(yīng)求的通信市場(chǎng)空白。

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）開創(chuàng)了商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新時(shí)代，公司計(jì)劃的“星鏈” 互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)擬發(fā)射4000多顆低軌衛(wèi)星，同時(shí)利用火箭回收技術(shù)，降低發(fā)射成本，提供低價(jià)、優(yōu)質(zhì)的互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。北京時(shí)間2018年12月4日，SpaceX的獵鷹九號(hào)火箭發(fā)射了64顆低軌衛(wèi)星，這項(xiàng)名為“太空飛行SSO－A：小衛(wèi)星快車”的任務(wù)將部署來(lái)自多家提供商的7500顆低軌衛(wèi)星，通過(guò)將微小的厘米長(zhǎng)的衛(wèi)星發(fā)送到低地球軌道來(lái)徹底改變物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀。

此外，美國(guó)光平方公司的天際陸地系統(tǒng)（SkyTerra）在星地融合方面也取得了有目共睹的成績(jī)。該系統(tǒng)利用部署于地面的輔助基站（ATC）解決地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域局限和衛(wèi)星在室內(nèi)覆蓋不佳的問(wèn)題。通信衛(wèi)星與地面基站共用同一通信頻率，空中接口采用相互兼容的數(shù)據(jù)格式，通信終端可在衛(wèi)星與地面基站之間進(jìn)行無(wú)縫的通信切換，在美國(guó)全境依托該系統(tǒng)，用戶可享有全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）、通用移動(dòng)通信技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）等4G無(wú)線寬帶互聯(lián)接入服務(wù)。與SkyTerra同樣使用地面輔助基站實(shí)現(xiàn)星地融合的系統(tǒng)還有“陸地星”（TerreStar），該系統(tǒng)的地面段網(wǎng)絡(luò)由美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）提供，結(jié)合S頻段的可展開式天線，“陸地星”可為地面網(wǎng)級(jí)別的手持機(jī)提供通信接入服務(wù)。

2.星地融合組織機(jī)構(gòu)發(fā)展

隨著衛(wèi)星與5G技術(shù)的成熟發(fā)展，兩者的融合使用逐漸成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）、SaT5G和CBA等標(biāo)準(zhǔn)化組織組建了專業(yè)團(tuán)隊(duì)對(duì)星地融合相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，業(yè)界部分研究機(jī)構(gòu)也投入到此項(xiàng)研究工作中。

1）ITU：提出衛(wèi)星與5G融合的4類應(yīng)用場(chǎng)景，包括小區(qū)回傳、中繼到站、動(dòng)中通和混合多播，同時(shí)提出了各場(chǎng)景下需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

2）3GPP：根據(jù)星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出4種建設(shè)模型，基于建設(shè)模型對(duì)相關(guān)的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行分析、評(píng)估，后續(xù)3GPP將繼續(xù)對(duì)5G通信進(jìn)行深入研究，加強(qiáng)對(duì)5G市場(chǎng)現(xiàn)有及新增服務(wù)需求的分析，討論衛(wèi)星終端的建立、配置和維護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)，并重點(diǎn)分析衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫切換技術(shù)。

3）SaT5G：2017年6月，SaT5G聯(lián)盟成立，重點(diǎn)研究衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)的融合通信技術(shù)，其主要研究工作有網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及仿真驗(yàn)證、商業(yè)價(jià)值主張等，計(jì)劃在兩年半的時(shí)間里完成無(wú)縫集成方案，并進(jìn)行演示驗(yàn)證。SaT5G聯(lián)盟還將參與研究衛(wèi)星與5G融合的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

4）CBA：該聯(lián)盟旨在為5G商用服務(wù)開辟新的頻譜資源，后續(xù)，聯(lián)盟將組建商業(yè)工作組和技術(shù)工作組，推動(dòng)美國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠盡快使用3700～4200MHz頻段中的部分頻譜資源建設(shè)5G商用網(wǎng)絡(luò)，加快推出5G移動(dòng)通信商用服務(wù)的進(jìn)程。

3.發(fā)展趨勢(shì)

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)可利用其全球覆蓋的特性，彌補(bǔ)5G地面網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋不足的短板，同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)的更高傳輸速率，亦可提升低軌星座系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)度，因此，低軌與5G的通信網(wǎng)絡(luò)融合是未來(lái)通信領(lǐng)域發(fā)展的熱門方向。

隨著低軌衛(wèi)星星座的大面積規(guī)劃部署，通信頻率沖突的矛盾將日益突顯，統(tǒng)籌規(guī)劃星地頻率資源、研究高效的頻率資源復(fù)用技術(shù)，是解決星地資源沖突的有效手段；為保障用戶終端的一體化、小型化設(shè)計(jì)，5G通信中的大規(guī)模多輸入多輸出、非正交多址、新型多載波傳輸?shù)刃驴湛诩夹g(shù)在低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)中的適配、適用，將成為低軌星座與5G融合的研究熱點(diǎn)；星地網(wǎng)絡(luò)的全I(xiàn)P設(shè)計(jì)是星地融合的發(fā)展趨勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）[3]技術(shù)也將成為低軌星座與5G融合的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。

目前，星地網(wǎng)絡(luò)正由相互競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹献鞴糙A模式，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為地面網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展與延伸，可實(shí)現(xiàn)地面基站的拉遠(yuǎn)，并為其提供通信回程服務(wù)。國(guó)外星地合作共贏的新型商業(yè)模式已經(jīng)興起，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)割裂的壁壘短期內(nèi)仍然存在，合作共贏的發(fā)展模式還需進(jìn)一步探索。

三、網(wǎng)絡(luò)融合可行性分析

我國(guó)IMT－2020（5G）組織提出了基于“三朵云”的5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)[4]，以滿足面向5G應(yīng)用的業(yè)務(wù)指標(biāo)和場(chǎng)景需求。該架構(gòu)下5G網(wǎng)絡(luò)由接入平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面三部分組成[5]，其中，接入平面支持多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信接入，可實(shí)現(xiàn)多接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制，并提高無(wú)線資源的利用率[6]；轉(zhuǎn)發(fā)平面基于通用硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的低延時(shí)、高可靠及均負(fù)載傳輸需求，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率；控制平面利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功能的集中控制和流程的簡(jiǎn)化處理。5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

我國(guó)低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相同，也包括接入平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。其中，接入平面部署在星上，通過(guò)衛(wèi)星基站實(shí)現(xiàn)空口協(xié)議的處理，并由星載路由交換單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，與5G接入平面相比，低軌星座接入平面既有接入、控制功能，也有轉(zhuǎn)發(fā)功能；低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面部署與關(guān)口站的核心網(wǎng)中，與5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平面不同的是，低軌轉(zhuǎn)發(fā)平面主要進(jìn)行終端與地面網(wǎng)絡(luò)之間的業(yè)務(wù)處理。

由上述分析可以看出，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面與5G網(wǎng)絡(luò)相似，兩者融合接入時(shí)只需做簡(jiǎn)單的融合處理即可。

圖 1 5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖

由于低軌星座的特殊性，在低軌星座中不能直接使用5G通信協(xié)議，需要依據(jù)低軌星座的特點(diǎn)逐層對(duì)協(xié)議進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。因此，兩網(wǎng)進(jìn)行通信融合時(shí)，協(xié)議適應(yīng)性開發(fā)是待攻克的重點(diǎn)問(wèn)題。

圖 2 低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

四、方案設(shè)想

全球范圍內(nèi)交通、運(yùn)輸、油礦業(yè)、漁業(yè)、物流業(yè)以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)全球統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了較高要求，低軌星座與5G網(wǎng)絡(luò)的通信融合是解決上述問(wèn)題的有效手段。星地網(wǎng)絡(luò)的一體化融合設(shè)計(jì)有利于打破天基與地基網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立的局面，通過(guò)搭載相應(yīng)載荷，提供覆蓋全球的航空航海監(jiān)視、導(dǎo)航增強(qiáng)以及廣域互聯(lián)網(wǎng)接入等服務(wù)。本設(shè)計(jì)給出低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合通信的設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能部署和關(guān)鍵技術(shù)三方面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

1.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

低軌與5G網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)可采用兩種設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)，第一種為松耦合分立組網(wǎng)建設(shè)方式，低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)通信衛(wèi)星中繼至地面信關(guān)站，再由地面通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接分發(fā)；第二種為緊耦合建設(shè)方式，低軌星座網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的空中接口協(xié)議，天基和地基網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理、協(xié)同服務(wù)，終端采用高集成、融合設(shè)計(jì)方式，通過(guò)單一終端實(shí)現(xiàn)低軌星座網(wǎng)絡(luò)與5G通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫切換。低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖如圖3所示。

2.網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化部署

5G網(wǎng)絡(luò)引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)兩項(xiàng)新型技術(shù)，該技術(shù)的引入實(shí)現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的功能分離。低軌星座系統(tǒng)和5G網(wǎng)絡(luò)的融合也將基于網(wǎng)絡(luò)功能解耦的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立部署、升級(jí)與擴(kuò)展，提高系統(tǒng)應(yīng)用靈活性與適應(yīng)性。在融合網(wǎng)絡(luò)中，功能的部署執(zhí)行只需要建立在空閑的處理器基礎(chǔ)上，而無(wú)需關(guān)注該處理器隸屬于天基系統(tǒng)或地面系統(tǒng)，是預(yù)先固化配置或是臨時(shí)調(diào)用。對(duì)于應(yīng)用優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)信息，完成星上資源配置處理后，后續(xù)處理盡量交由地面節(jié)點(diǎn)完成，改變以往由于網(wǎng)元功能緊耦合所導(dǎo)致的星地網(wǎng)絡(luò)功能分割絕對(duì)化。

除上述規(guī)劃外，實(shí)現(xiàn)低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)的通信融合尚需突破多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)：

1）多載波技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)初期仍以正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)為主。對(duì)于低軌衛(wèi)星星座而言，由于移動(dòng)過(guò)程中通信傾角變化較大，采用多載波技術(shù)可有效解決多徑效應(yīng)和遮擋等問(wèn)題，但由于通信覆蓋區(qū)域較大，星地鏈路的循環(huán)前綴、隨機(jī)接入信道（RACH）導(dǎo)頻設(shè)計(jì)是需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

圖 3 低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖

2）新型編碼技術(shù)。低軌星座與5G的融合通信網(wǎng)絡(luò)需滿足不同業(yè)務(wù)類型的傳輸需求，業(yè)務(wù)速率、傳輸時(shí)延、誤碼率等均有不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，融合網(wǎng)絡(luò)既要支持百兆速率的互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)傳輸，也要支持幾百比特的物聯(lián)網(wǎng)短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，需提供一套完備的編碼調(diào)制方案，以適應(yīng)不同通信業(yè)務(wù)的傳輸需求。

3）動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)?；陬l譜感知技術(shù)，對(duì)特定頻段進(jìn)行頻譜掃描，尋找未被用戶使用的和利用空分復(fù)用技術(shù)處理后可共用的通信頻率，動(dòng)態(tài)地分配給低軌通信星座使用，解決資源緊缺、通信沖突、調(diào)度困難等問(wèn)題。

4）移動(dòng)性管理技術(shù)。與同步靜止軌道衛(wèi)星不同，低軌衛(wèi)星星座相對(duì)于地面是進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)的，地面終端會(huì)在不同衛(wèi)星與不同波束之間進(jìn)行頻繁切換，因此用戶的資源管理、錨點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)管理等信息變得異常復(fù)雜，研發(fā)一套安全、可靠、實(shí)用性強(qiáng)的移動(dòng)管理平臺(tái)意義重大。

五、應(yīng)用場(chǎng)景

1.不間斷網(wǎng)絡(luò)連接

低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)支持移動(dòng)用戶在低軌5G接入網(wǎng)與地面5G接入網(wǎng)間無(wú)縫切換，通過(guò)在飛機(jī)、艦船、高鐵、汽車等移動(dòng)平臺(tái)上安裝具有低軌星座接入能力的通信終端，即可在移動(dòng)過(guò)程中保持連續(xù)、不間斷的5G網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

以移動(dòng)終端為例，在有地面網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景下，優(yōu)先選用地面5G通信網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸；當(dāng)無(wú)地面網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景時(shí)，終端優(yōu)先選用低軌通信網(wǎng)，保障信號(hào)的不間斷通信。移動(dòng)終端在低軌和地面5G網(wǎng)絡(luò)間可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切換與漫游。

2.廣播分發(fā)

利用低軌衛(wèi)星星座組播、廣播技術(shù)特性，為廣域范圍內(nèi)的終端用戶提供業(yè)務(wù)分發(fā)服務(wù)（包括高清視頻、3D電視等）。平時(shí)通過(guò)地面5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)，當(dāng)廣播業(yè)務(wù)繁忙時(shí)，利用低軌5G融合接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面業(yè)務(wù)的分流，避免因網(wǎng)絡(luò)擁塞而導(dǎo)致的業(yè)務(wù)分發(fā)服務(wù)質(zhì)量下降。該場(chǎng)景下，用戶可同時(shí)接收融合網(wǎng)絡(luò)和地面5G網(wǎng)絡(luò)的雙重業(yè)務(wù)內(nèi)容，并可對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行兼容使用。

3.物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可利用低軌衛(wèi)星星座提供海量機(jī)器通信（mMTC）和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）服務(wù)，通過(guò)在智慧產(chǎn)業(yè)、物流運(yùn)輸、管道監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中布設(shè)具有低軌接入和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換選擇功能的通信終端，基于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)情況、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等多種因素綜合分析，自動(dòng)進(jìn)行低軌衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡(luò)的通信切換，實(shí)現(xiàn)位置、狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)傳送。

4.應(yīng)急通信

在戶外開采、野外科考等地面網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)地區(qū)，低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可提供應(yīng)急通信手段，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋；在地震、洪水、戰(zhàn)爭(zhēng)等突發(fā)事件地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)遭受破壞，低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可快速搭建通信鏈路，實(shí)現(xiàn)前后方的通信暢通。

六、結(jié)束語(yǔ)

低軌與5G的通信融合將為用戶提供覆蓋更廣、速率更快的通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，將移動(dòng)寬帶、互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用拓展到更廣闊的范圍，實(shí)現(xiàn)天地一體化的通信服務(wù)保障。本文對(duì)低軌與5G網(wǎng)絡(luò)融合的可行性進(jìn)行了分析，并結(jié)合業(yè)務(wù)需求對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了綜合描述，為低軌與5G的融合建設(shè)提供了參考。